(57)【要約】【課題】  気化供給型の燃料電池において安定性の高い発電能力を有する燃料電池を提供する。【解決手段】  発電部２０、酸素ガスを空気極２１に供給する空気供給部３０、液体燃料を気化してメタノールガス等の燃料ガスを燃料極２３に供給する燃料供給部４０等から構成する。燃料供給部４０は、メタノール水溶液が充填される燃料貯蔵部４２、メタノール水溶液中のメタノールを気化させる液体燃料気化膜４３、メタノールを拡散させ燃料極２３に導入する燃料極ガス拡散層４６、４８等を有する。燃料極２１と液体燃料気化膜４３との間に、２つの電極５１、５３と、これらの電極に挟まれたイオン交換樹脂層５２からなる水分解部５０を設ける。水分解部５０は、電極５１、５３に直流電源５４により電力が供給され、電気分解により燃料極２１と液体燃料気化膜４３との間に存在する過剰な水をＨ2ガスとＯ2ガスに変換する。【選択図】  図２
2006286416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素ガスが供給される空気極と、
燃料ガスが供給される燃料極と、
前記空気極と燃料極とに狭持されたプロトン伝導性の固体電解質層と、からなる発電部と、
液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記液体燃料を気化し、当該気化された燃料を気体燃料として燃料極に供給する液体燃料気化膜と、を備え、
前記燃料極から燃料貯蔵部側に、電力により水を分解する水分解部が設けられてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記水分解部は、
前記燃料極と液体燃料気化膜との間に設けられ、
前記燃料極側から順に、第１の電極と、イオン交換樹脂層と、第２の電極とが配置され、第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加されてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記発電部は燃料極に接する燃料極集電体を備え、
前記水分解部は第１の電極が燃料極集電体であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記液体燃料は、実質的に１００％濃度のメタノールからなり、
前記水分解部は燃料貯蔵部に設けられ、第１の電極と、イオン交換樹脂層と、第２の電極からなり、該第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加されてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料貯蔵部に充填された液体燃料に対して圧力を印加する圧力印加部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に小型でプロトン伝導性の固体電解質層を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の携帯情報機器は、小型化、軽量化、高機能化が一段と進んでいる。また情報携帯機器の発展に伴い、その電源となる電池も小型化、軽量化、および高容量化が着実に進んできた。携帯電話機の最も一般的な駆動電源はリチウムイオン電池である。リチウムイオン電池は実用化当初から高い駆動電圧と電池容量を持ち、携帯電話機の進歩にあわせて性能改善が図られてきた。しかし、リチウムイオン電池の性能改善にも限界があり、今後も高機能化が進む携帯電話機の駆動電源としての要求をリチウムイオン電池は満足できなくなりつつある。
【０００３】
このような状況のもと、リチウムイオン電池に変わる新たな発電デバイスの開発が期待されている。この例として、燃料電池を挙げることができる。燃料電池は、燃料極（負極）に燃料を供給することで電子とプロトンを生成し、そのプロトンを空気極（正極）に供給された酸素と反応させ発電する。発生した電子を燃料電池に電力として供給する発電装置である。このシステムの最大の特徴は燃料および酸素を補給することで長時間連続発電が可能であり、二次電池における充電の代わりに燃料を補給することで二次電池と同様に機器電源に応用できる。このことから、燃料電池は分散電源や電気自動車用の大型の発電機としてだけでなく、ノートＰＣや携帯電話に適用するための超小型の発電ユニットとして盛んに研究開発が行われている。
【０００４】
燃料電池は、通常、燃料として水素やメタノールなどの還元性物質を使用し、これらの物質を大気中の酸素と反応させることで発電を行う電気化学デバイスである。水素を燃料として用いる場合は、高圧ボンベや水素貯蔵性の物質などの大容量の燃料タンクが必要である。そのため、携帯情報機器に搭載するマイクロ燃料電池には向いていない。一方、メタノール等の液体燃料は小容量で高エネルギーを発生するので、液体燃料を用いるマイクロ燃料電池が注目されている。
【０００５】
液体燃料を用いるマイクロ燃料電池では、メタノールのエネルギー密度の高さと貯蔵のし易さ、電池構造の簡略さ等から、メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）が採用されている。
【０００６】
ＤＭＦＣでは、プロトン伝導性を持つ固体高分子電解質膜を２つの電極で挟み、燃料極側にメタノール水溶液を供給する。燃料極で起こる電気化学反応は、以下に示すようにメタノールが水と反応して直接電極で酸化されて、二酸化炭素とプロトン、電子が生成する反応である。ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-。プロトンは高分子固体電解質膜中を透過して空気極の触媒層で酸素と化合して水を生成する。このとき燃料極、空気極を外部回路に接続することで、発生した電子により電力を取り出すことができる。生成した水は空気極から系外へ排出される。
【０００７】
このようなメタノール水溶液を液体のまま発電部に供給する、いわゆる液体供給形ＤＭＦＣではメタノール水溶液が常に燃料極に接している必要がある。メタノール水溶液は燃料電池の姿勢を変化させると移動するため、動きの激しい携帯情報機器機では発電の安定動作が難しくなる。また、発電部で液体のメタノールが燃料極から固体電界質層を介して空気極到達し外部に漏洩する、いわゆるクロスオーバーが発生する場合がある。このような場合、液体燃料は発電に寄与しないため、燃料電池の発電特性が大幅に低下してしまう。
【０００８】
そこで、これらの問題を解決するため、メタノールを気化させ燃料極に供給する、いわゆる気化供給形ＤＭＦＣが提案されている（特許文献１参照。）。特許文献１では、メタノールを毛管現象により燃料気化層に液体燃料を供給し、燃料気化層で気化させたメタノールを燃料極に供給する。これにより、燃料電池の姿勢を変化させてもメタノールガスが燃料極に均一に供給されるため発電動作が安定し、また、クロスオーバーも抑制可能であると期待される。
【特許文献１】特開２０００−１０６２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、気化供給形ＤＭＦＣの空気極で発生した水は、本願発明者の検討によれば、空気極から気化して外部に排出される他、一部の水は固体電荷質層を透過し燃料極に達することが分かった。この水が過剰になると、水はさらに燃料気化層をメタノールと逆方向に透過する。このような水の逆流により、メタノールの透過速度や気化速度が低下するため、燃料極ではメタノールが欠乏するおそれがある。メタノールが欠乏すると出力電力が低下して発電能力の低下の問題が生ずる。
【００１０】
また、燃料気化層を透過した水はメタノール水溶液のメタノール濃度を低下させるため、メタノール濃度の低下によりメタノールの気化速度が低下する。この場合もメタノールの欠乏が生じ、出力電力が低下して発電能力の低下の問題が生ずる。
【００１１】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、気化供給型の燃料電池において安定性の高い発電能力を有する燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一観点によれば、酸素ガスが供給される空気極と、燃料ガスが供給される燃料極と、前記空気極と燃料極とに狭持されたプロトン伝導性の固体電解質層と、からなる発電部と、液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、前記液体燃料を気化し、当該気化された燃料を気体燃料として燃料極に供給する液体燃料気化膜と、を備え、前記燃料極から燃料貯蔵部側に、電力により水を分解する水分解部が設けられてなることを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１３】
本発明によれば、燃料極から燃料貯蔵部側に、電力を供給して水を電気分解する水分解部を設けることにより過剰な水を分解して水が液体燃料気化膜を透過して燃料貯蔵部側に流出することを抑制する。したがって、液体燃料気化膜中で液体燃料の燃料極側への透過を水が妨害するのを抑制し水の透過による液体燃料の気化速度の低下や変動を抑制できる。また、水が燃料貯蔵部の液体燃料に混じることを抑制し、液体燃料の濃度の低下を抑制する。したがって、この点においても液体燃料の気化速度の低下や変動を抑制できる。その結果、安定性の高い発電動作が可能な燃料電池が実現できる。
【００１４】
図１は本発明の原理を説明するための図である。図１を参照するに、本発明の燃料電池は、圧力印加あるいは毛管現象により液体燃料が燃料貯蔵部４２に供給される。液体燃料は液体燃料気化膜４３により気化されて気体燃料が燃料極２３側に供給される。気体燃料は発電部２０の燃料極２３で、後ほど説明する発電反応を起こす。一方、空気極２１の発電反応により生じた水が固体電解質層２２を透過し燃料極２３側に入り込む。かかる水が過剰になると、水が液体燃料気化膜に浸透し、燃料貯蔵部４２に到達するようになる。このことで、液体燃料が燃料極２３側に浸透するのが阻害される。また、水の圧力により液体燃料の気化が妨げられるようになる。その結果、液体燃料の気化速度が低下あるいは変動してしまう。
【００１５】
本発明では、燃料極２３に対して燃料貯蔵部４２側に水を電気分解により分解する水分解部５０を設けている。水分解部５０は２つの電極５１、５３とそれらの間に挟まれたイオン交換樹脂層５２からなり、２つの電極５１、５３に直流電源５４により電圧を印加する。これにより液体燃料気化膜４３における液体燃料の透過および気化を阻害する過剰な水が除去される。したがって、液体燃料の気化速度の低下および変動が抑制される。その結果、本発明の燃料電池は安定性の高い発電動作が可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料極側にある過剰な水を分解し、水が液体燃料気化膜を透過して燃料貯蔵部側に流出することを抑制する水分解部を設けることにより、過剰な水の存在により発生する液体燃料の気化速度の低下や変動を抑制できる。燃料電池は安定性の高い発電能力を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態に係る燃料電池を具体的に説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。
【００１９】
図２を参照するに、燃料電池１０は、発電部２０と、酸素ガスを空気極２１に供給する空気供給部３０と、液体燃料を気化してメタノールガス等の燃料ガスを燃料極２３に供給する燃料供給部４０等から構成される。
【００２０】
発電部２０は、空気極２１と、固体電解質層２２と、燃料極２３とがこの順に積層され、空気極２１に接する空気極集電体２４と、燃料極２３に接する燃料極集電体２５から構成される。空気極２１は、薄膜のため図示を省略したが、例えば、多孔質体のカーボンペーパと、触媒層から構成される。触媒層は、例えば、Ｐｔ（白金）の微粒子やＰｔを表面に担持したカーボン粉末からなり、固体電解質層２２に接するように配置される。
【００２１】
固体電解質層２２は、プロトン伝導性の高分子固体電解質からなる。高分子固体電解質としては、例えばスルホン酸基やリン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基を有する樹脂が挙げられる。固体電解質層２２は、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）ＮＦ１１７（デュポン社商品名）、アシプレックス（旭化成社商品名）を用いることができる。
【００２２】
燃料極２３は、薄膜のため図示を省略したが、例えば、多孔質体のカーボンペーパと、触媒層から構成される。触媒層は、例えば、Ｐｔ（白金）−Ｒｕ（ルテニウム）合金の微粒子や、Ｐｔ−Ｒｕ合金を表面に担持したカーボン粉末からなり、固体電解質層２２に接するように配置される。
【００２３】
空気極集電体２４は、導電性を有し、メッシュあるいは多孔性の構造を有する。このような構造とすることで、空気極集電体２４は、空気極ガス拡散層３２側から空気極２１側に空気あるいは酸素ガスを透過し易くする。空気極集電体２４は、例えば、Ｎｉ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の耐蝕性の高い金属材料からなることが好ましい。また、空気極集電体２４の構造としては、例えば、金属メッシュ、エキスパンドメタル、金属不織布、三次元網目構造の発泡金属等が挙げられる。また、空気極集電体２４は、その表面に、高導電性でかつ高耐蝕性の金属膜、例えば、Ａｕ膜が形成されていることが好ましい。このような金属膜を設けることで、空気極集電体２４の耐蝕性の向上および空気極２１との接触抵抗の低減化を図ることができる。
【００２４】
また、燃料極集電体２５は、空気極集電体２４と同様の材料から構成され、その表面に、高導電性でかつ高耐蝕性の金属膜、例えば、Ａｕ膜を形成することが好ましい。
【００２５】
発電部２０では、燃料極２３に燃料ガスが供給される。燃料ガスの基となる液体燃料としては、メタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エタノール等、あるいはこれらの水溶液を用いることができる。第１の実施の形態および第２の実施の形態ではメタノールと水との混合溶液あるいは、１００％濃度のメタノール（以下「メタノール水溶液」と略称する。）を例に説明する。燃料極２３の触媒層では、下記の反応式１の反応が進み、メタノールガスと水蒸気が消費され、二酸化炭素ガス、プロトン（Ｈ+）、および電子、副生成物としてジメトキシメタン、蟻酸メチル等が生成される。ジメトキシメタンや蟻酸メチルは触媒層で反応式１とは別の酸化反応が進み、プロトン、および電子が生成される。
【００２６】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …  （反応式１）
プロトンは固体電解質層２２を伝導し空気極２１に達する。電子は、燃料極集電体２５を介して、燃料電池に外部回路として接続された負荷５８に対して仕事を行う。さらに電子は、空気極集電体２４を介して空気極２１に達する。空気極２１の触媒層では、下記の反応式２の還元反応が進み、プロトン、電子、および酸素ガスが消費され水蒸気が生成される。
【００２７】
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ  …  （反応式２）
水蒸気は、空気極ガス拡散層３２および酸素供給口３１ａを通じて外部に排出される。また、燃料極２３で発生した二酸化炭素ガスは図示されない生成ガス排出部により外部に排出される。このようにして燃料電池１０は、メタノールを燃料として発電を行う。
【００２８】
空気供給部３０は、空気極側筐体３１と、空気極側筐体３１の酸素供給口３１ａから導入した酸素を拡散させ、空気極２１に酸素を導入する空気極ガス拡散層３２から構成される。
【００２９】
空気極側筐体３１は、金属材料や樹脂材料から構成される。樹脂材料としては特に限定されないが、メタノール等のアルコール耐性の点で、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン類、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＡ）等のフッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン、アクリル等の樹脂を用いることが好ましい。
【００３０】
また、空気極側筐体３１には、厚さ方向に貫通する酸素供給口３１ａが多数設けられている。酸素供給口３１ａは、空気極ガス拡散層３２の全体に均一に酸素が導入されるように設けられることが好ましい。
【００３１】
空気極ガス拡散層３２は多孔質材料から構成される。多孔質材料は、多孔質状であればその材料は特に制限されないが、好適な多孔質材料としては、例えば、セラミックス多孔質体、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、フッ素樹脂多孔質体、ポリプロピレン多孔質体等が挙げられる。
【００３２】
空気供給部３０では、空気極側筐体３１の酸素供給口３１ａから空気中の酸素ガスが導入され、酸素ガスは空気極ガス拡散層３２の開口部あるいは細孔を通じて拡散し、空気極２１の表面に一様に導入される。
【００３３】
なお、封止材３７、４７ａ、４７ｂは気密性に優れる樹脂、例えばエポキシ樹脂、オレフィン樹脂、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂からなり、燃料電池１０の内部のメタノールや二酸化炭素等の気体や、メタノール水溶液や水等の液体が燃料電池１０の外部に漏洩することを防止する。
【００３４】
燃料供給部４０は、燃料極側筐体４１と、メタノール水溶液が充填される燃料貯蔵部４２と、メタノール水溶液中のメタノールを気化させてメタノールガスに変換する液体燃料気化膜４３と、メタノールガスを拡散させ燃料極２３に導入する燃料極ガス拡散層４６、４８と、燃料極ガス拡散層４６と燃料極ガス拡散層４８との間に設けられた水分解部５０等から構成される。
【００３５】
燃料極側筐体４１は金属材料や樹脂材料から構成される。樹脂材料としては特に限定されないが、メタノール等のアルコール耐性の点で、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン類、ＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン、アクリル等の樹脂を用いることが好ましい。
【００３６】
燃料貯蔵部４２は、燃料極側筐体４１と、それと対向する液体燃料気化膜４３と、封止材４７ａとからなり、これらに囲まれた空隙部４２ａが形成されている。
【００３７】
燃料貯蔵部４２は、燃料カートリッジ４４から燃料供給口４２ｂを介してメタノール水溶液が供給され、その空隙部４２ａに貯蔵される。空隙部４２ａに貯蔵されたメタノール水溶液は液体燃料気化膜４３の表面に接触している。
【００３８】
燃料カートリッジ４４には圧力印加部４５が設けられる。圧力印加部４５は、メタノール水溶液に背圧を印加することで、液体燃料気化膜４３でのメタノールの気化速度が高められる。特に液体燃料気化膜４３が非多孔質状の場合は、メタノールの気化速度が低下する傾向にあるが、圧力印加部４５により背圧を印加することで、むしろ気化速度を高めることができる。
【００３９】
圧力印加部４５は、燃料カートリッジ４４に充填されたメタノール水溶液に直接あるいは窒素ガス等の気体を介して背圧を印加する。背圧の大きさは、液体燃料気化膜４３の材料により適宜選択されるが、０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａの範囲に設定されることが好ましい。なお、圧力印加部４５を燃料貯蔵部４２に直接接続して、燃料貯蔵部４２に充填されたメタノール水溶液に直接背圧を印加してもよい。ただし、この場合は燃料カートリッジ４４にメタノール水溶液が逆流しないように逆流防止弁を設ける。
【００４０】
なお、燃料貯蔵部４２の空隙部４２ａに多孔質材料を充填して、燃料カートリッジ４４から毛管現象により空隙部４２ａメタノール水溶液を供給してもよい。多孔質材料は、アルコール耐性のある樹脂であれば特に制限はない。またこの場合、圧力印加部４５は設けなくともよい。
【００４１】
液体燃料気化膜４３は、メタノール等のアルコール耐性を有する高分子等からなる多孔質材料あるいは非多孔質材料からなる。液体燃料気化膜４３に好適な多孔質材料としてはフッ素樹脂製の多孔質材料が挙げられる。
【００４２】
液体燃料気化膜４３は、メタノールが十分に気化される点で非多孔質材料が好ましい。非多孔質材料の場合は、メタノール水溶液が気相となってその材料中を透過するからである。液体燃料気化膜４３に好適な非多孔質材料としては、パーフルオロスルホン酸系の樹脂を主材料とする樹脂が挙げられる。このような樹脂は、例えば、フッ素樹脂の主鎖と、スルホン酸基を持つ側鎖を有する樹脂である。かかる材料の樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社商品名）等が挙げられる。
【００４３】
また、液体燃料気化膜４３に好適な非多孔質材料としては、カルボキシ基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂を主材料とする樹脂が挙げられる。このような樹脂は、例えば、フッ素樹脂の主鎖と、カルボキシル基を持つ側鎖を有する樹脂である。かかる材料の樹脂膜としては、例えば、フレミオン（旭硝子社商品名）が挙げられる。
【００４４】
さらに、液体燃料気化膜４３に好適な非多孔質材料としては、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリアミドのうち一種を主材料とする樹脂が挙げられる。またさらに、液体燃料気化膜４３に好適な非多孔質材料としては、シリコーンゴム等のシリコーンを含む高分子材料が挙げられる。
【００４５】
燃料ガス拡散層４６は、メタノール等のアルコール耐性を有する多孔質材料から構成される。燃料ガス拡散層４６に好適な多孔質材料としては、セラミックス、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、フッ素樹脂、ポリプロピレン等の多孔質材料が挙げられる。
【００４６】
また、燃料ガス拡散層４８はメタノール等のアルコール耐性を有する多孔質材料で、絶縁性を有する材料からなる。次に説明する水分解部５０の電極５３と燃料極集電体２５の電気的な短絡を防止できる。燃料ガス拡散層４８に好適な多孔質材料としては、セラミックス、フッ素樹脂、ポリプロピレン等の多孔質材料が挙げられる。
【００４７】
また、燃料ガス拡散層４６、４８の空孔率は、３０％〜９５％の範囲に設定されることが好ましく、４０％〜９０％の範囲に設定されることがより好ましい。空孔率が９５％を超えると燃料ガス拡散層４６、４８の機械的強度が低下する。
【００４８】
また、燃料ガス拡散層４６、４８の厚さは、特に制限はないが、１ｍｍ以下であることが好ましい。燃料ガス拡散層４６、４８が１ｍｍよりも厚いと燃料電池全体の厚さが過度に大きくなる。なお、液体燃料気化膜４３側の燃料ガス拡散層４６を設ける方が好ましいが、燃料ガスの拡散が十分な場合は必須ではない。
【００４９】
水分解部５０は、燃料ガス拡散層４６と燃料ガス拡散層４８との間に設けられている。水分解部５０は、２つの電極５１、５３と、２つの電極に挟まれたイオン交換樹脂層５２からなる。電極５１、５３には直流電源５４から、例えば１．４Ｖの直流電圧が印加されている。水分解部５０は、燃料極２１と液体燃料気化膜４３との間、すなわち燃料ガス拡散層４６、４８に含まれる過剰な水を電気分解して、Ｈ2ガスとＯ2ガスに変換する。
【００５０】
イオン交換樹脂層５２は多孔質状のイオン交換樹脂からなる。イオン交換樹脂としては、スルホン酸基やリン酸基等の強酸基やカルボキシ基等の弱酸基等の酸性基、アミノ基、アンモニウム基等の塩基性基を有する樹脂が挙げられる。樹脂材料としては、例えばＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素樹脂、ポリスルホン、ポリイミド、ポリアミド、ポリアクリル酸等が挙げられる。また、イオン交換樹脂層５２としては、上記の酸性基や塩基性基を有する樹脂液を含浸した多孔質の樹脂層を用いることができる。イオン交換樹脂層５２の膜厚は例えば１０μｍ程度に設定される。また、イオン交換樹脂層５２としては、例えば、ナフィオン（登録商標）ＮＦ１１７（デュポン社商品名）、アシプレックス（旭化成社商品名）、フレミオン（旭硝子社商品名）を用いることができる。
【００５１】
電極５１、５３は導電性を有し、メッシュあるいは多孔質状の構造を有する。このような構造とすることで、水や、メタノールガス、二酸化炭素の流通を良好にする。電極５１、５３は、例えば、Ｎｉ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の耐蝕性の高い金属材料からなることが好ましい。電極５１、５３の構造としては、例えば、金属メッシュ、エキスパンドメタル、金属不織布、三次元網目構造の発泡金属等が挙げられる。また電極５１、５３は、その表面に、高伝導性でかつ不活性である点でＡｕ膜あるいは白金族元素の金属膜が形成されていることが好ましい。
【００５２】
電極５１と電極５３との間には、直流電源５４により直流電圧を印加する。直流電圧は、１．２Ｖよりも高ければよく、例えば１．４Ｖ以上であれば十分である。また、直流電源５４は、燃料電池１０の出力側を昇圧回路（不図示）に接続し、昇圧回路の出力側を電極５１、５３に接続してもよい。さらには、燃料電池１０が携帯端末機器に搭載されている場合、その携帯端末機器の電源を直流電源５４としてもよい。
【００５３】
なお、電極５３は燃料拡散層４８に接する側の表面をシリコン酸化膜等の絶縁性材料により覆ってもよい。これにより電極５３と燃料極集電体２５との絶縁性を高めることができ、燃料拡散層４８を薄層化あるいは省略できる。また、電極５１および電極５３はどちらが他方に対して正電圧に設定されてもよい。
【００５４】
水分解部５０は、燃料極２１と液体燃料気化膜４３との間に存在する過剰な水を分解し、Ｈ2ガスとＯ2ガスに変換する。Ｈ2ガスとＯ2ガスは燃料極２１で発生した二酸化炭素と共に生成ガス排出部（図示されない）から外部に排出される。生成ガス排出部は、二酸化炭素等を選択的に透過するガス分離膜を有する。また、Ｈ2ガスの一部は燃料極２１で発電反応により消費される。
【００５５】
本実施の形態によれば、燃料極２１と液体燃料気化膜４３との間に、直流電源５４により電力を供給して水を電気分解する水分解部５０を設けることにより、燃料極側にある水を分解し、水が液体燃料気化膜４３を透過して燃料貯蔵部４２側に流出することを抑制する。したがって、液体燃料気化膜４３中でメタノールの燃料極２１側への透過を水が妨害するのを抑制して水の透過によるメタノールの気化速度の低下や変動を抑制できる。
【００５６】
また、水が燃料貯蔵部４２のメタノール水溶液に混入することを抑制し、メタノール濃度の低下を抑制する。したがって、この点においてもメタノールの気化速度の低下や変動を抑制できる。その結果、安定性の高い発電動作が可能な燃料電池が実現できる。
【００５７】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。第２の実施の形態に係る燃料電池は、図２に示す第１の実施の形態に係る燃料電池の変形例である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５８】
図３を参照するに、第２の実施の形態に係る燃料電池６０は、燃料極集電体２５が水分解部６５の燃料極２３側の電極を兼ねている以外は、第１の実施の形態に係る燃料電池と略同様の構成からなる。すなわち、水分解部６５は、電極５１と、イオン交換樹脂層５２と、燃料極集電体２５からなる。電極５１と燃料極集電体２５との間には、直流電源５４から直流電圧が印加されるが、燃料極集電体２５に対して電極５１に正電圧を印加する。このようにすることで、燃料極２３で発電反応により発生したプロトンが電極５１に引きつけられることなく、固体電解質層２２を介して空気極２１側に正常に流れる。
【００５９】
本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を有し、安定性の高い発電動作が可能な燃料電池が実現できる。また、燃料極集電体２５が水分解部６５の電極を兼ねることで一方の電極と、図２に示す燃料極ガス拡散層４８を省略できる。したがって、燃料電池の全体の厚さを低減でき、また、構造を簡略化できる。その結果、燃料電池の小型化が図れる。
【００６０】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。第３の実施の形態に係る燃料電池は、図２に示す第１の実施の形態に係る燃料電池の変形例である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６１】
図４を参照するに、第３の実施の形態に係る燃料電池７０は、水分解部７５が、燃料極２１と液体燃料気化膜４３との間ではなく、燃料貯蔵部４２に設けられている以外は、第１の実施の形態に係る燃料電池と略同様の構成からなる。また、燃料電池７０は、使用可能な液体燃料が、メタノールが実質的に１００％濃度のものである。ただし、１％以下程度の水が含まれていてもよい（以下、単に「メタノール」と称する。）。なお、液体燃料として１００％濃度のジメチルエーテル（ＤＭＥ）およびエタノールを用いてもよいが、ここではメタノールを使用するとして説明する。
【００６２】
水分解部７５は、２つの電極５１、５３と、２つの電極５１、５３に挟まれたイオン交換樹脂層５２からなり、燃料貯蔵部４２の空隙部４２ａの一部を占めるように配置されている。したがって、２つの電極５１、５３およびイオン交換樹脂層５２は空隙部４２ａに充填されたメタノールに接しており、浸漬されている状態となる。２つの電極５１、５３には、直流電源５４が接続され直流電圧が印加されている。水分解部７５および直流電源５４の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００６３】
このように設けられた水分解部７５は、燃料極２１側から液体燃料気化膜４３を浸透し、燃料貯蔵部４２の空隙部４２ａのメタノールに混入した水を電気分解により分解する。したがって、メタノールが水により希釈されることを防止できる。したがって、メタノール濃度の低下により燃料極２１に供給されるメタノールの気化速度の低下を抑制し、安定性の高い発電動作が可能な燃料電池が実現できる。
【００６４】
（実施例）
上述した第１および第３の実施の形態に係る燃料電池、およびこれらを組み合わせた構成の燃料電池を作製した。
【００６５】
本発明に係る実施例１〜７の燃料電池を以下の構成とした。実施例１〜７の共通の構成および連続放電特性の試験方法は以下の通りである。
【００６６】
［発電部］
発電部２０の大きさを長さ４０ｍｍ×幅４０ｍｍに形成した。燃料極２３の触媒層にＰｔ−Ｒｕ合金担持触媒ＴＥＣ６１Ｅ５４、空気極２１の触媒層に白金担持触媒ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ（いずれも田中貴金属社製）を用いた。固体電解質層２２に固体電解質ナフィオン（登録商標）ＮＦ１１２（デュポン社製商品名）を用いた。空気極集電体および燃料極集電体にメッシュ状のＳＵＳ３０４を用いた。
【００６７】
［空気供給部］
空気極ガス拡散層にカーボンペーパ（厚さ２８０μｍ、東レ社製）を用いた。
【００６８】
［燃料供給部］
液体燃料気化膜にシリコーンゴム（厚さ２００μｍ、三菱樹脂社製、商品名「珪樹」）、燃料極ガス拡散層にポリイミド多孔質膜（１層の厚さが２５μｍのものを３層重ねて使用した。宇部興産社製）を用いた。
【００６９】
［燃料供給部］
水分解部の電極としてＡｕめっきステンレスメッシュを用いた。
【００７０】
また、連続放電特性の試験を以下の手順で行った。
【００７１】
（１）液体燃料として１００％濃度のメタノールを用い、燃料貯蔵部に２ｃｍ3を供給し、燃料水位を確認する。
（２）次いで、圧力印加部４５から窒素ガスを供給し、燃料貯蔵部４２のメタノールに０．５ＭＰａの背圧を加える。
（３）次いで、水分解部の電極に外部の直流電源から１．４Ｖを印加し、燃料電池に６０ｍＡ／ｃｍ2の定電流を供給し、燃料電池の放電を行う。
（４）次いで、燃料電池における電圧が０．１Ｖまで低下したときに放電を終了する。
（５）次いで、上記（１）における燃料水位まで液体燃料である１００％濃度のメタノールを補充する。
（６）次いで、上記（２）から（５）までを１サイクルとして、以降、２サイクルを繰り返して、計３サイクルの連続放電特性の実験を行う。
【００７２】
連続放電特性の実験において、放電の開始から終了までの時間（放電時間）を測定した。また、放電中の電圧を測定し、その時間平均を求めて平均放電電圧とした。
【００７３】
また、各実施例の水分解部を以下の構成とした。
【００７４】
［実施例１］
本実施例は図２に示す第１の実施の形態と同様の構成とした。燃料極と燃料気化膜の間の２つの燃料極ガス拡散層が水分解部を挟むように配置した。水分解部のイオン交換樹脂層にナフィオン（登録商標、デュポン社製）を含浸させたＰＴＦＥ製多孔質フィルムを用いた。
【００７５】
［実施例２］
本実施例は図４に示す第３の実施の形態と同様の構成とした。水分解部を燃料貯蔵部に配置した。実施例１と同様のイオン交換樹脂層を用いて水分解部を作製した。
【００７６】
［実施例３］
本実施例は、実施例１と実施例３とを組み合わせた構成とし、一方の水分解部を燃料極と燃料気化膜の間の２つの燃料極ガス拡散層に挟まれた配置とした。他方の水分解部を燃料貯蔵部に配置した。実施例１と同様のイオン交換樹脂層を用いてそれぞれの水分解部を作製した。
【００７７】
［実施例４］
本実施例は実施例１と同様の構成とした。水分解部のイオン交換樹脂層にスルホン化ポリエーテルスルホンを含浸させたＰＴＦＥ製多孔質フィルムを用いた。
【００７８】
［実施例５］
本実施例は実施例１と同様の構成とした。水分解部のイオン交換樹脂層にスルホン化ポリイミドを含浸させたＰＴＦＥ製多孔質フィルムを用いた。
【００７９】
［実施例６］
本実施例は実施例１と同様の構成とした。２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸とビスアクリルアミドを重量比で１００：１の割合で水を溶媒として混合し、ＰＴＦＥ製多孔質フィルム中で直接共重合させて水分解部のイオン交換樹脂層を作製した。なお、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸はＡＴＢＳ（東亜合成社商品名）を使用した。
【００８０】
［実施例７］
本実施例は実施例１と同様の構成とした。水分解部のイオン交換樹脂層にポリアクリル酸−ビスアクリルアミド共重合体を含浸させたＰＴＦＥ製多孔質フィルムを用いた。
【００８１】
また、本発明によらない比較例として、水分解部を設けない以外は実施例１と同様の構成の燃料電池を作製した。
【００８２】
図５は、実施例および比較例の燃料電池の連続放電特性を示す図である。図５を参照するに、比較例は、第１サイクルから第３サイクルにかけて平均放電電圧が次第に低下している。また、比較例は放電時間もサイクルを追う毎に短くなっている。これは、燃料極と液体燃料気化膜との間の燃料極ガス拡散層に存在する水の量が次第に増加し、燃料極に供給されるメタノール量が次第に減少してメタノールの気化速度がサイクルを追う毎に低下したものと考えられる。
【００８３】
一方、実施例１〜７はいずれの例でも、第１サイクルから第３サイクルまでの平均放電電圧および放電時間が安定していることが分かる。このことから、水分解部により燃料極と液体燃料気化膜との間、あるいは燃料貯蔵部に存在する過剰な水が除去されてメタノールの気化速度が安定化していること分かる。実施例１〜７によれば、平均放電電圧および放電時間の安定性は、比較例に対して極めて優れていることが確認できた。
【００８４】
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００８５】
例えば、第１の実施の形態または第２の実施の形態と、第３の実施の形態を組み合わせてもよい。すなわち、燃料極と燃料気化膜との間および燃料貯蔵部の各々に水分解部を設ける。これにより、各々領域の水の分解を行うことで、安定性のいっそう高い発電能力を有する燃料電池が実現できる。
【００８６】
なお、以上の説明に関してさらに以下の付記を開示する。
（付記１）  酸素ガスが供給される空気極と、
燃料ガスが供給される燃料極と、
前記空気極と燃料極とに狭持されたプロトン伝導性の固体電解質層と、からなる発電部と、
液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記液体燃料を気化し、当該気化された燃料を気体燃料として燃料極に供給する液体燃料気化膜と、を備え、
前記燃料極から燃料貯蔵部側に、電力により水を分解する水分解部が設けられてなることを特徴とする燃料電池。
（付記２）  前記電力は直流電源から供給されることを特徴とする付記１記載の燃料電池。
（付記３）  前記直流電源は、当該燃料電池の出力電力を使用してなることを特徴とする付記２記載の燃料電池。
（付記４）  前記水分解部は、
前記燃料極と液体燃料気化膜との間に設けられ、
前記燃料極側から順に、第１の電極と、イオン交換樹脂層と、第２の電極とが配置され、第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加されてなることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記５）  前記発電部は燃料極に接する燃料極集電体を備え、
前記第１の電極と燃料極集電体との間が電気的に絶縁されていることを特徴とする付記４記載の燃料電池。
（付記６）  前記燃料極集電体と第１の電極との間にガス拡散層を有し、該ガス拡散層が絶縁性材料からなることを特徴とする付記５記載の燃料電池。
（付記７）  前記発電部は燃料極に接する燃料極集電体を備え、
前記水分解部は第１の電極が燃料極集電体であることを特徴とする付記４記載の燃料電池。
（付記８）  前記第１の電極に対して第２の電極に正電圧を印加することを特徴とする付記７記載の燃料電池。
（付記９）  前記液体燃料は、実質的に１００％濃度のメタノールからなり、
前記水分解部は燃料貯蔵部に設けられ、第１の電極と、イオン交換樹脂層と、第２の電極からなり、該第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加されてなることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記１０）  前記燃料貯蔵部に充填された液体燃料に対して圧力を印加する圧力印加部をさらに備えることを特徴とする付記１〜９のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記１１）  前記液体燃料気化膜は非多孔質状の材料からなることを特徴とする付記１〜１０のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記１２）  前記非多孔質状の材料は、パーフルオロスルホン酸系の樹脂、カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリアミドからなる群のうち一種を主材料とする樹脂、あるいはシリコーンを含む高分子材料からなることを特徴とする付記１１記載の燃料電池。
（付記１３）  前記イオン交換樹脂層は、多孔質のイオン交換樹脂からなり、該イオン交換樹脂が、酸性基あるいは塩基性基を有することを特徴とする付記１〜１２のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記１４）  前記第１の電極および第２の電極は、それらの表面にＡｕ膜あるいは白金族元素の金属膜が形成されていることを特徴とする付記１〜１３のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記１５）  液体燃料は、メタノールあるいはメタノール水溶液であることを特徴とする付記１〜１４のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の原理を説明するための図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。
【図５】実施例および比較例の燃料電池の連続放電特性を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０、６０、７０    燃料電池
２０    発電部
２１    空気極
２２    固体電解質層
２３    燃料極
２４    空気極集電体
２５    燃料極集電体
３０    空気供給部
３１    空気極側筐体
３１ａ  酸素供給口
３２    空気極ガス拡散層
３７    封止材
４０    燃料供給部
４１    燃料極側筐体
４２    燃料貯蔵部
４２ａ  空隙部
４２ｂ  燃料供給口
４３    液体燃料気化膜
４４    燃料カートリッジ
４５    圧力印加部
４６、４８    燃料極ガス拡散層
４７ａ、４７ｂ    封止材
５０、６５、７５    水分解部
５１、５３    電極
５２    イオン交換樹脂層
５４    直流電源
５８    負荷
【図１】
2006286416.tif 000003
【図２】
2006286416.tif 000004
【図３】
2006286416.tif 000005
【図４】
2006286416.tif 000006
【図５】
2006286416.tif 000007